Domain structure and dielectric diffusion–relaxation characteristics of ternary Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 ceramics
科研新成果
01
弛豫铁电材料由于其优异的介电和机电特性，被普遍认为是非常具有应用前景的机电转换材料。相比于经典铁电体，弛豫铁电体具有铁电-顺电弥散相转变过程（介电弥散）和频率依赖介电行为（介电弛豫）的标志性特征，并且当温度低于Tm（宏观铁电-顺电相转变温度）时呈现长程铁电态。另外，低温区高畴壁密度的纳米畴结构以及高温区（>Tm）存在极性纳米微区（PNRs）是弛豫铁电体的另一个显著特征。由于弛豫铁电体的高性能和自身独特的物理特性，自其出现以来关于弛豫铁电体结构-性能关系的研究便成为了物理和材料领域的研究热点。当前，绝大多数研究都集中在弛豫铁电材料的相结构、畴结构和机电特性之间的相互关系上，但关于弛豫铁电体畴结构和介电弥散-弛豫特性之间的相关性研究却相对匮乏。从基础研究角度来看，进行弛豫铁电体介电弥散-弛豫特性和畴结构的研究，不仅有助于揭示弛豫铁电体巨压电性起源等重要的物理问题，还可以对新型高性能压电材料的研发起到指导作用。
02
本文利用固相合成法制备了高质量的三元系Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3（PIN-PMN-PT）陶瓷，并系统研究了PIN-PMN-PT陶瓷的畴结构和介电特性，给出了PIN/PMN组分比例对畴尺寸和介电弥散-弛豫特性的影响。相关实验结论如下：
（i）PIN-PMN-PT陶瓷呈现出不规则“岛”状畴和规则“层”状畴共存的混合型畴形态；
（ii）PIN组分比例提升会引入更加强烈的结构无序，进而提升PIN-PMN-PT的介电弥散特性、减小畴尺寸；
（iii）PIN-PMN-PT的介电弛豫特性主要取决于PT组分含量。另外，本文结合结构无序材料的随机场理论和降温过程中的PNRs生长动力学行为，讨论了PIN-PMN-PT体系混合型畴结构的形成原因，以及PIN/PMN组分比例影响畴尺寸和介电弥散-弛豫特性的物理机制。
03
图1 (a) PIN-PMN-PT的相图；(b) 不同组分PIN-PMN-PT陶瓷的XRD图谱；(c) 不同组分PIN-PMN-PT陶瓷的断面形貌
本文在PIN-PMN-PT陶瓷的准同型相界（MPB）附近选取三个PT组分相同的样品进行研究，选取组分如图1(a)所示。图1(b)中给出了不同PIN/PMN组分比例陶瓷的XRD图谱，所制备样品均呈现纯钙钛矿相。图1(c)中给出了所制备样品的SEM断面形貌图，可以看到所制备样品具有较高的致密度，并且在机械外力下呈现穿晶和沿晶的混合断裂模式。
图2 (a) PIN-PMN-34PT陶瓷高温区的Curie–Weiss关系拟合；(b) PIN-PMN-34PT陶瓷的Lorentz-type 关系拟合
图2(a)中给出了PIN-PMN-34PT陶瓷高温区的Curie–Weiss关系拟合，并确定了PNRs存在的最高温度TB。当温度从高温区降温到TB以后，PNRs出现，弛豫铁电体经历了由顺电相到弛豫遍历(ER)态的转变。图2(b)中给出了PIN-PMN-34PT陶瓷的Lorentz-type关系拟合结果，并确定了用于描述介电弥散特性强弱的特征量-弥散因子δ。研究结果显示，随着PIN组分的增加（PT组分不变），δ值增大，弥散特性增强。另外，不同PIN/PMN组分样品的ΔTm (ΔTm= Tm(100 kHz)- Tm(0.5 kHz))均维持在1 K左右，说明PT组分决定了PIN-PMN-PT体系的介电弛豫特性。
图3 PIN-PMN-34PT陶瓷的畴结构
图3中给出了PIN-PMN-34PT陶瓷的畴结构，可以看到PIN-PMN-34PT陶瓷呈现不规则“岛”状畴和规则“层”状畴共存的混合型畴形态。这种畴结构的形成主要是由于结构无序引入的随机场和极性纳米团簇间强相互作用的竞争结果。
图4 (a-c) PIN-PMN-34PT陶瓷畴结构的自相关函数拟合结果；(d)平均畴尺寸<ξ>和弥散因子δ随PIN组分的变化规律
图4(a-c)中给出PIN-PMN-34PT陶瓷畴结构的自相关函数拟合结果，并确定了不同组分样品的平均畴尺寸<ξ>。图4(d)中给出了<ξ>和δ随PIN组分的变化规律。相关结果表明，随着PIN组分的提升，PIN-PMN-PT陶瓷的畴尺寸呈现出与δ相反的变化规律，即PIN组分比例越高，畴尺寸越小。以上研究结果表明，相比于PMN组分，PIN组分具有更强的晶格无序，提升PIN组分将增强PIN-PMN-PT体系整体的结构无序性。同时，强结构无序将提升PIN-PMN-PT内部的REFs，在降温过程中将对PNRs的生长起到更强的抑制作用。因此，高PIN组分的PIN-PMN-PT陶瓷会具有更强的介电弥散特性和更小的畴尺寸。
04
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https://doi.org/10.1142/S2010135X22410028
05
该工作以“Domain structure and dielectric diffusion–relaxation characteristics of ternary Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 ceramics”为题发表于期刊Journal of Advanced Dielectrics第12卷6期上，哈尔滨师范大学戚旭东博士为本论文第一和通讯作者，惠州学院李凯博士为共同第一作者。
戚旭东，理学博士，主要从事铁电材料的结构-性能关系和器件化等相关工作，以第一/通讯作者在ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Science & Technology, Journal of the European Ceramic Society等期刊发表SCI论文20余篇，合作发表Advanced Functional Materials，Applied Catalysis B: Environmental等期刊论文20余篇。
李凯，哈尔滨工业大学工学博士，主要从事铁电陶瓷制备、宏观电学特性与微观畴结构关联性研究等，以第一/通讯作者在Journal of Materials Chemistry C, Journal of Materials Science & Technology, Advanced Electronic Materials, Journal of the American Ceramic Society等期刊发表SCI论文7篇，在Advanced Functional Materials, Nano Letters, Journal of the European Ceramic Society, Applied Physics Letters,等期刊合作发表论文10余篇。
科研小故事
2014年博士刚刚入学的时候，我在Journal of Advanced Dielectrics上看到了一篇题为“Dielectric relaxation in relaxor ferroelectrics”的综述文章，自此便对铁电体介电弛豫特性这个研究方向产生了浓厚的兴趣。尽管从研究现状来看，这个课题方向并不十分“讨好”，毕竟追求高性能才是当前的研究主流。但是，诸如“为什么弛豫铁电体在高温顺电相依然具有拉曼活性？”、“Vogel‐Fulcher定律中的激活能Ea和冻结温度Tf究竟描述了怎样的物理过程？”等奇特的物理迹象依然让我十分好奇，并决定开展一些相关的工作。
想要进行铁电体介电弛豫特性的相关研究，选择一个合适的研究体系就变得非常重要。经过文献查阅和多种材料的介电特性预实验，我选择了PIN-PMN-PT这个三元体系进行相关研究，并完成了博士课题的主体工作。之所以选择PIN-PMN-PT这个体系进行研究，主要是由于其同时具有优异的机电特性和强介电弛豫特性，便于进行高性能弛豫铁电体的结构-性能关系分析。尽管到目前为止，依然有很多问题没有得到很好的理解，但是在研究过程我还是得到了很多的成长收获，希望在以后的研究中能够将现有问题的神秘面纱逐层掀开，窥其真容。
科研人画像
戚旭东（哈尔滨师范大学）
作为一个普通的科研人，我就是那种“人菜瘾大”的选手，虽然科研能力有限，但科研热情却很高。在科研过程中，我始终保持着“板凳要坐十年冷”的态度，希望能够通过长期的积累和沉淀，在所属领域取得一些让自己满意的成果，贡献一点有价值的研究工作。我相信“路虽远，行则将至；事虽难，做则可成”。科学研究中难免会遇到困难和瓶颈，相信只要保持求知的热情和坚持不懈的态度，困难总会被解决，瓶颈也会被不断突破。
本人参加工作以后，也开展了一些关于交流极化、铁电光伏和高性能超声换能器的相关工作，欢迎各位前辈专家批评指正，也真诚希望能够有机会同各位老师和同学进行合作交流。
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期刊简介
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JAD是由姚熹院士创办并担任主编的英文学术期刊，由新加坡世界科技出版集团（WSPC）和西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）共同主办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域。旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、Scopus、CA、CNKI、DOAJ等多种检索数据库收录。
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